立隧道ANSYS有限元分析模型

1、立隧道ANSYS模型運(yùn)用ANSYS軟件建立隧道圍巖模型和求解步驟比較復(fù)雜，篇幅很長(zhǎng)，圖片也很多，大約45頁(yè)左右，這是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主體部分，也是本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。先選擇安裝本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的有限元軟件，根據(jù)老師的要求及軟件功能的考慮，選擇ANSYS Mechanical APDL 10.0軟件進(jìn)行畢業(yè)設(shè)計(jì)。ANSYS Mechanical APDL 10.0版本，大小相較其他版本很?。ò惭b后僅僅1.5G左右），占電腦內(nèi)存小，而且單元類型較多（比后續(xù)的新版多一些簡(jiǎn)單的模型），對(duì)初學(xué)者很方便和友善，完全滿足本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的要求。接下來(lái)就詳細(xì)記述本次設(shè)計(jì)的圍巖受力模型的具體步驟（共計(jì)15步）。1、新建初

2、始的物理環(huán)境：點(diǎn)主菜單的 “ANSYS Main Menu”，再點(diǎn) “Preferences”，彈出“Preferences for GUI Filtering”為題的窗口，之后點(diǎn)“Structural”，跟著點(diǎn)擊“OK”鍵，如圖3.2所示。這樣操作就完成了新建初始的物理環(huán)境（圖形界面的過(guò)濾）。圖3.2圖形界面過(guò)濾2、命名工作標(biāo)題：再次回到主菜單尋找ANSYS主界面最上方的“Utility Menu”，先點(diǎn)“File”，再點(diǎn)“Change Title”，在彈出的對(duì)話框中寫(xiě)上此次畢業(yè)設(shè)計(jì)的圍巖結(jié)構(gòu)標(biāo)題名“structure A.db”，點(diǎn)“OK”，如圖3.3所示。圖3.3 命名工作標(biāo)題3、定義單

3、元類型：在主菜單點(diǎn)“Main Menu”，點(diǎn)“Preprocessor”，點(diǎn)“Element Type”，點(diǎn)“Add/Edit/Delete”，在界面上會(huì)彈出一個(gè)窗口，點(diǎn)“Add”，如圖3.4所示；接下來(lái)再次彈出一個(gè)窗口。選“Beam”（梁），再選“2D elastic 3”，如圖3.5所示；點(diǎn)“Apply”。在左面選“combination”，在右側(cè)選“Spring-damper 14”，如圖3.6所示；最后再點(diǎn)“OK”，再次點(diǎn)如圖3.7所示的窗口的“Close”。具體操作的步驟由圖3.4到3.7所示圖3.4 Element Type元素類型圖3.5 Beam 2D elastic 3 梁

4、2D彈性 3維圖3.6 combination Spring-damper 14組合 彈簧阻尼 14圖3.7 單元類型建立完畢4、定義材料屬性：點(diǎn)主菜單的“Main Menu”，接著點(diǎn)“Preprocessor”，再點(diǎn)“Material Props”，最終點(diǎn)“Material Models”，界面上顯示“Define Material Model Behavior”窗口，就算是進(jìn)入了材料屬性的設(shè)置界面，如圖3.8所示。圖3.8 Define Material Model Behavior定義材料的模型屬性接下來(lái)在圖3.8的右欄連點(diǎn)“Structural”；“Linear”；“Elastic”；

5、“Isotropic”后，彈出名稱為“Linear Isotropic Properties for Material Number 1”的窗口，在窗口中“EX”右面的欄中填“2.55E10”，之后在“PRXY”的右面的欄填“0.2”，上述過(guò)程如圖3.9所示，點(diǎn)“OK”。接下來(lái)選中“Density”并雙擊，彈出“Density for Material Number 1”窗口，在“DENS”后面的欄中填隧道襯砌砼材料密度“2400”，上述過(guò)程如圖3.10所示，在最后點(diǎn)“OK”按鈕。最終結(jié)果如圖3.11所示。整個(gè)步驟如3.8至3.11所示。圖3.9材料1的線性各向同性的性質(zhì)圖3.10 Densi

6、ty for Material Number 1 1號(hào)材料的密度圖3.11 材料屬性定義完畢5、定義材料實(shí)常數(shù)：點(diǎn)主菜單“Main Menu”，再點(diǎn)“Preprocessor”，之后點(diǎn)“Real constants”，最后點(diǎn)“Add/Edit/Delete”，彈出名為“Real constants”的窗口。上述過(guò)程如圖3.12所示。圖3.12 Real constants 實(shí)常數(shù)的定義接下來(lái)要點(diǎn)“Add”按鈕，選“Type 1 BEAM 3”選項(xiàng)，點(diǎn)“OK”，彈出名為“Real constant for BEAM 3”的窗口，窗口中輸入隧道的襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)BEAM 3梁?jiǎn)卧慕孛娣eAREA=“0

7、.15”；慣性矩IZZ=“0.00028125”；高度HEIGHT=“0.15”。過(guò)程如圖3.13所示。圖3.13 Real constant for BEAM 3 3維梁實(shí)常數(shù)的定義輸入完畢后點(diǎn)“OK”，接著在剛才彈出的窗口中點(diǎn)“Add”，彈出了選擇單元類型的窗口，選擇“Type 2 combin14”，點(diǎn)“OK”，出現(xiàn)名為“Real constant Set Number 1 for COMBIN14”的窗口，最后在“SPRING CONSTANT K”后面輸“30000000”，點(diǎn)“OK”，點(diǎn)下方的“Close”結(jié)束，出現(xiàn)2個(gè)設(shè)置項(xiàng)（Set 1和Set 2），該過(guò)程如圖3.14和3.15

8、所示。圖3.14 Real constant Set Number 1 for COMBIN 14 組合14的實(shí)常數(shù)集1圖3.15 材料的實(shí)常數(shù)定義完成6、給隧道模型建立襯砌支護(hù)的關(guān)鍵點(diǎn)（共計(jì)8個(gè)）：按照老師所給的曼當(dāng)1號(hào)隧道的施工設(shè)計(jì)資料圖，可以大致在CAD描繪出一個(gè)隧道“三心圓”的模型即可基本展現(xiàn)表現(xiàn)出隧道的輪廓，通過(guò)這樣的尺寸來(lái)進(jìn)行建模，以及可以緊接著進(jìn)行它的壓力布置和它的受力分析。那么我們將要輸入8個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)（key points）來(lái)把隧道的斷面給表示出來(lái)。用鼠標(biāo)點(diǎn)執(zhí)行左方的主菜單欄的“Preprocessor”，再點(diǎn) “Modeling”，再點(diǎn)打開(kāi)的子菜單欄里的“Create”，再點(diǎn)

9、“Keypoints”，再 “In Active CS”，執(zhí)行到這一步后會(huì)彈出一個(gè)名為“Creae Keypoints in Active cooedinate System”的創(chuàng)建關(guān)鍵點(diǎn)對(duì)話框，如圖3.16所示。圖3.16 Creae Keypoints in Active cooedinate System 主動(dòng)協(xié)同系統(tǒng)中的關(guān)鍵點(diǎn)運(yùn)用CAD2016版中的功能確定關(guān)鍵點(diǎn)，將描繪好的的圍巖外形，通過(guò)坐標(biāo)進(jìn)行輸出輸出了8個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，并將它們的坐標(biāo)保留5位小數(shù)，單位為米。在對(duì)話框中的“NPT keypoint number”右面的輸入欄中輸 “1”，在“X，Y，Z Location in activ

10、e CS”右面的輸入欄中輸?shù)?個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)“（24.70953，17.55739，0）”，之后點(diǎn)對(duì)話框中下方第2個(gè)“Apply”按鈕，成功創(chuàng)建了關(guān)鍵點(diǎn)1，退到了圖3.16的界面，繼續(xù)下一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)的創(chuàng)建，直到8個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)都設(shè)置好了為止。依次在該對(duì)話框中的“NPT keypoint number”后面的輸入欄中輸另7個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)。要輸入的關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo)如下所示，請(qǐng)注意務(wù)必保證輸入的時(shí)候要仔細(xì)，不能出現(xiàn)錯(cuò)誤，否則只能重新再來(lái)（ANSYS沒(méi)有撤銷的指令）“1”對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為“（24.70953，17.55739，0）”；“2”對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為“（24.33000，20.00000，0）”；“3”對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為“（30

11、.00000，25.67000，0）”；“4”對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為“（35.67000，20.00000，0）”；“5”對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為“（35.29047，17.55739，0）”；“6”對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為“（30.00000，20.00000，0）”；“7”對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為“（32.38000，20.00000，0）”；“8”對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)為“（27.62000，20.00000，0）”。8個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)都設(shè)置完成后，最終點(diǎn)對(duì)話框中的“OK”按鈕，生成8個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，并得到圖3.17至3.24的結(jié)果。最終的8個(gè)點(diǎn)在大平面上的輸入情況如圖3.25所示，并進(jìn)行檢查，檢查方法是看看圖像是否完全左右對(duì)稱。圖3.17 1號(hào)關(guān)鍵點(diǎn)圖3.

12、18 2號(hào)關(guān)鍵點(diǎn)圖3.19 3號(hào)關(guān)鍵點(diǎn)圖3.20 4號(hào)關(guān)鍵點(diǎn)圖3.21 5號(hào)關(guān)鍵點(diǎn)圖3.22 6號(hào)關(guān)鍵點(diǎn)圖3.23 7號(hào)關(guān)鍵點(diǎn)圖3.24 8號(hào)關(guān)鍵點(diǎn)圖3.25 8個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)在平面上的的相對(duì)位置7、繪制隧道襯砌支護(hù)線模型：點(diǎn)主菜單欄“Preprocessor”，再點(diǎn) “Modeling”，接著點(diǎn) “Create”，之后點(diǎn) “Line”，然后點(diǎn) “Arcs”，最后點(diǎn) “Arc By End KPs & Rad”，這些步驟操作的準(zhǔn)確無(wú)誤將會(huì)彈出如圖3.26所示的創(chuàng)建隧道模型一級(jí)對(duì)話框“Arc byEnd KPs & Rad”。圖3.26 Arc by End KPs & Rad 圓弧結(jié)束KPs和Rad

13、然后用鼠標(biāo)單擊剛才設(shè)置好的點(diǎn)1和點(diǎn)2，具體操作是用鼠標(biāo)左鍵點(diǎn)擊關(guān)鍵點(diǎn)1 后再點(diǎn)擊關(guān)鍵點(diǎn)2，操作模樣最終如圖3.27所示。圖3.27 關(guān)鍵點(diǎn)1和2然后需要在創(chuàng)建隧道模型一級(jí)對(duì)話框（剛才的“Arc By End KPs & Rad”對(duì)話框）中點(diǎn)“Apply”按鈕，再用鼠標(biāo)抓取關(guān)鍵點(diǎn)1、關(guān)鍵點(diǎn)2以及對(duì)應(yīng)的圓心點(diǎn)，也就是關(guān)鍵點(diǎn)7。得到的結(jié)果如圖3.28所示。圖3.28 抓取關(guān)鍵點(diǎn)7接下來(lái)需要點(diǎn)擊創(chuàng)建模型一級(jí)對(duì)話框中的“Apply”按鈕可彈“Arc By End KPs & Radius”的對(duì)話框，如圖3.29所示。圖3.29 Arc By End KPs & Radius 圓弧末端KPs和半徑 圓弧1

14、-2的建立在二級(jí)對(duì)話框第一行的“RAD Radius of the arc”輸入欄中輸弧線的半徑“8.05”，然后在第二行的“P1，P2 Keypoints at start + end”的右邊依次填寫(xiě)“1”和“2”，最后在第三行的“PC KP on center-of-curvature-side and plane of arc”的右面填寫(xiě)圓心關(guān)鍵點(diǎn)7，完成后點(diǎn)對(duì)話框中的“Apply”完成圓弧1-2的構(gòu)建，進(jìn)行下一個(gè)圓弧的創(chuàng)建，圓弧1-2如圖3.30所示。圖3.30 圓弧12的構(gòu)建形態(tài)依次用相同的方法完成圓弧2-3、圓弧3-4、圓弧4-5的創(chuàng)建，創(chuàng)建的過(guò)程如圖3.31至3.33所示，注意他

15、們的數(shù)據(jù)不要輸錯(cuò)了，同時(shí)需要嚴(yán)密的檢查，不能出現(xiàn)錯(cuò)誤。依次輸入后將會(huì)出現(xiàn)一個(gè)又一個(gè)的圓弧，最后點(diǎn)二級(jí)對(duì)話框中的“OK”按鈕，生成一圈隧道模型（沒(méi)有仰拱）。在二級(jí)對(duì)話框中第一行“RAD Radius of the arc”欄中輸入該弧線半徑“5.67”，然后在第二行的“P1，P2 Keypoints at start + end”的右邊依次填寫(xiě)“2”和“3”，最后在第三行的“PC KP on center-of-curvature-side and plane of arc”的右面填寫(xiě)圓心關(guān)鍵點(diǎn)6，填寫(xiě)完成后點(diǎn)對(duì)話框中“Apply”完成圓弧2-3的構(gòu)建，并開(kāi)始下一個(gè)圓弧的建立，圓弧2-3的形態(tài)如

16、圖3.31所示。圖3.31 圓弧2-3的創(chuàng)建在二級(jí)對(duì)話框中第一行的“RAD Radius of the arc”后面的輸入欄中輸入該弧線半徑“5.67”，然后在第二行的“P1，P2 Keypoints at start + end”的右邊依次填寫(xiě)“3”和“4”，最后在第三行的“PC KP on center-of-curvature-side and plane of arc”的右面填寫(xiě)圓心關(guān)鍵點(diǎn)6，填寫(xiě)完成后點(diǎn)二級(jí)對(duì)話框中的“Apply”按鈕完成圓弧3-4的建立并開(kāi)始下一個(gè)圓弧的建立，圓弧3-4的形態(tài)如圖3.32所示。圖3.32 圓弧3-4的創(chuàng)建在二級(jí)對(duì)話框第一行的“RAD Radius o

17、f the arc”欄中輸弧線半徑“8.05”，然后在第二行的“P1，P2 Keypoints at start + end”的右邊依次填寫(xiě)“4”和“5”，最后在第三行的“PC KP on center-of-curvature-side and plane of arc”的右面填寫(xiě)圓心關(guān)鍵點(diǎn)6，點(diǎn)二級(jí)對(duì)話框中的“Apply”完成圓弧4-5的建立，圓弧4-5如圖3.33所示。圖3.33 圓弧4-5的創(chuàng)建最終建立的隧道模型如圖3.34所示。圖3.34 隧道模型的建立結(jié)果展示8、檢查并保存建模ANSYS文件：點(diǎn)主菜單的“Utility Menu”，然后點(diǎn)“File”，接著點(diǎn)“Save as”，彈出

18、名為“Save Database”的窗口，窗口中的輸入欄中輸入文件名“A.db”，之后點(diǎn)“OK”鍵即可。過(guò)程如圖3.35所示。務(wù)必要在一些重要的一步完成之后檢查完畢之后存檔（考慮在一次畢業(yè)設(shè)計(jì)多次存檔且應(yīng)當(dāng)標(biāo)明存檔時(shí)的建模進(jìn)度，遇到問(wèn)題可以及時(shí)糾錯(cuò)），因?yàn)锳NSYS軟件不能后撤操作，這樣就可以避免不必要的麻煩和損失。圖3.35 存檔界面9、給隧道弧線賦予特性：從主菜單中找到“Main Menu”的按鍵，之后點(diǎn)“Preprocessor”，然后點(diǎn)“Meshing”，再之后是點(diǎn)“MeshTool”，就會(huì)彈出一個(gè)名字叫“MeshTool”的窗口。如圖3.36所示。圖3.36 MeshTool網(wǎng)格工具

19、接下來(lái)需要在剛才彈出的“MeshTool”中大菜單中選擇“Lines”按鈕，按“Set”鍵彈出叫“Lines Attributes”一個(gè)線拾取框（如圖3.37左側(cè)），拾取編號(hào)為“L1、L2、L3、L4”的4條弧線，最后點(diǎn)“OK”鍵即可，具體的結(jié)果如圖3.37所示。圖3.37 點(diǎn)選隧道弧線L1、L2、L3、L4接著就會(huì)彈出一個(gè)名為“Lines Attributes”的窗口，在“MAT Material number”右面的欄中選“1”，在第三行“REAL Real constant set number”右面的欄中選“1”，在第四行“TYPE Element type number”選擇欄中選“

20、1 BEAM 3”，其余兩項(xiàng)直接認(rèn)為是默認(rèn)狀態(tài)即可，不需要進(jìn)行改變。設(shè)置完成后點(diǎn)“OK”鍵。具體如圖3.38所示。圖3.38 Line Attributes 線屬性參數(shù)表格10、隧道支護(hù)模型弧線尺寸：在“MeshTool”的對(duì)話框中選“Size controls”下的選擇欄的“Lines”，點(diǎn)右邊的“Set”，彈出二級(jí)對(duì)話框中拾取弧L1，這項(xiàng)工作完成后的結(jié)果如圖3.39所示。圖3.39 拾取圓弧L1接下來(lái)需要點(diǎn)二級(jí)對(duì)話框上的“OK”，彈出“Element Sizes on All Selected Lines”的三級(jí)對(duì)話框，在這個(gè)控制隧道支護(hù)模型弧線尺寸“No of element divis

21、ions”的輸入欄輸入“11”（具體的意思是在L1弧線上分成11個(gè)相同的小梁?jiǎn)卧?，點(diǎn)三級(jí)對(duì)話框中的“Apply”就完成了圓弧1-2的尺寸劃分，接著下一段圓弧劃分。同樣的步驟把L2、L3弧線等分“39”份，以及將L4弧線等分“11”份，共計(jì)100份。這也就解釋了第3.1節(jié)中的計(jì)算垂直均布?jí)毫退骄級(jí)毫Ψ謩e要除以100和50的原因，50是因?yàn)樗骄級(jí)毫κ桥c軸線左右對(duì)稱的，所以需要將100除以2，就可以得到50份，具體的排布形式見(jiàn)后面的3.5節(jié)荷載的布置。輸入的數(shù)據(jù)如圖3.40及圖3.41所示。圖3.40 將L1、L4 11等分圖3.41 將L2、L3 39等分最終劃分的弧線L1、L2、L3

22、、L4的分段如圖3.42所示。圖3.42 將弧線等分成100份的成果展示11、給隧道支護(hù)模型線劃分網(wǎng)格及顯示標(biāo)號(hào)：在上面的圖3.36中的工具欄“Meshtool”中點(diǎn)在下方的“Mesh”按鈕，就會(huì)彈出一個(gè)隧道支護(hù)模型弧線劃分網(wǎng)格對(duì)話框，點(diǎn)“Pick All”生成100個(gè)梁?jiǎn)卧?，將梁?jiǎn)卧奶?hào)顯示，最后的效果如圖3.43所示。圖3.43 100個(gè)節(jié)點(diǎn)標(biāo)號(hào)完畢后的效果圖12、給隧道模型建立局部坐標(biāo)系：依照一定的順序點(diǎn)主菜單欄的“Utility Menu”，再點(diǎn)“WorkPlane”，之后點(diǎn)“Local coordinate Systems”，然后點(diǎn)“Create Local CS”，下一步點(diǎn) “At

23、 Specified Loc +”，彈出如圖3.44所示的建立局部坐標(biāo)系對(duì)話框“Create CS at Location”。圖3.44 Create CS at Location 在位置創(chuàng)建坐標(biāo)接下來(lái)需要選中圓弧的一個(gè)圓心（關(guān)鍵點(diǎn)6或關(guān)鍵點(diǎn)7或關(guān)鍵點(diǎn)8），然后點(diǎn)創(chuàng)建局部坐標(biāo)系一級(jí)對(duì)話框中的“OK”，彈出創(chuàng)建局部坐標(biāo)系對(duì)話框“Create Local CS at Specified Location”，如圖3.45所示。圖3.45 Create Local CS at Specified Location在指定位置創(chuàng)建本地坐標(biāo)1接下來(lái)需要在創(chuàng)建隧道模型局部坐標(biāo)系的對(duì)話框中的“KCN Ref n

24、umber of new coord sys”后面的輸入欄中輸入局部坐標(biāo)編號(hào)“11”（大于10）；在“KCS Type of coordinate system”后面的選項(xiàng)中選擇坐標(biāo)系代碼“Cylindrical 1”，同時(shí)需要在下面的“XC、YC、ZC Origin of coord system”輸坐標(biāo)（30，20），點(diǎn)創(chuàng)建局部坐標(biāo)系對(duì)話框中“Apply”結(jié)束局部坐標(biāo)系1的創(chuàng)建，開(kāi)始局部坐標(biāo)系2的創(chuàng)建。如圖3.46所示。圖3.46 局部坐標(biāo)系“11”的建立局部坐標(biāo)系2的建立，在創(chuàng)建隧道模型局部坐標(biāo)系的對(duì)話框中 “KCN Ref number of new coord sys”后面的輸入欄中

25、輸入局部坐標(biāo)編號(hào)“12”；在“KCS Type of coordinate system”后面的選項(xiàng)中選擇坐標(biāo)系代碼“Cylindrical 1”，同時(shí)需要在下面的“XC、YC、ZC Origin of coord system”欄輸入圓心坐標(biāo)（32.38，20），點(diǎn)創(chuàng)建局部坐標(biāo)系二級(jí)對(duì)話框中的“Apply”按鈕結(jié)束局部坐標(biāo)系2的創(chuàng)建，開(kāi)始局部坐標(biāo)系3的創(chuàng)建。如圖3.47所示。圖3.47 局部坐標(biāo)系“12”的建立局部坐標(biāo)系3的建立，在創(chuàng)建隧道模型局部坐標(biāo)系的對(duì)話框中的“KCN Ref number of new coord sys”后面的輸入欄中輸入局部坐標(biāo)編號(hào)“13”；在“KCS Type

26、of coordinate system”后面的選項(xiàng)中選擇坐標(biāo)系代碼“Cylindrical 1”，同時(shí)需要在下面的“XC、YC、ZC Origin of coord system”欄輸入圓心坐標(biāo)（27.62，20），點(diǎn)創(chuàng)建局部坐標(biāo)系對(duì)話框中的“Apply”結(jié)束創(chuàng)建。如圖3.48所示。圖3.48 局部坐標(biāo)系“13”的建立最終構(gòu)建的局部坐標(biāo)系的效果如圖3.49所示。圖3.49 局部坐標(biāo)系效果圖13、激活隧道支護(hù)線模型局部坐標(biāo)系：需要按照一定的順序點(diǎn)主菜單欄的“Utility Menu”，然后點(diǎn)“WorkPlane”，接著點(diǎn)“Change Active CS to”，最后點(diǎn)“Specified c

27、oord Sys ”，彈出激活局部坐標(biāo)系的對(duì)話框，如圖3.50所示。圖3.50 激活隧道支護(hù)線模型局部坐標(biāo)系對(duì)話框（11號(hào)）需要激活隧道支護(hù)線模型局部坐標(biāo)系時(shí)，必須先在對(duì)話框輸局部坐標(biāo)系編號(hào)“11”，然后點(diǎn)對(duì)話框的“Apply”來(lái)完成坐標(biāo)系11的激活，開(kāi)始坐標(biāo)系12的激活。依次完成局部坐標(biāo)系12和13的激活，最后點(diǎn)激活局部坐標(biāo)系對(duì)話框中的“OK”完成激活并關(guān)閉激活局部坐標(biāo)系對(duì)話框。具體的過(guò)程如圖3.51和3.52所示。圖3.51 局部坐標(biāo)系的建立（12號(hào)為中心）圖3.52 局部坐標(biāo)系的建立（13號(hào)為中心）14、施加彈簧支撐命令流：根據(jù)ANSYS應(yīng)用教材及相關(guān)要求，需用記事本來(lái)整理彈簧支撐命令流

28、，并將彈簧支撐命令流直接輸入到ANSYS系統(tǒng)中去。命令流列出如下：local12,1,32.38,20csys,12,psprng,1,tran,30000000,1psprng,3,tran,30000000,1psprng,4,tran,30000000,1psprng,5,tran,30000000,1psprng,6,tran,30000000,1psprng,7,tran,30000000,1psprng,8,tran,30000000,1psprng,9,tran,30000000,1psprng,10,tran,30000000,1psprng,11,tran,30000000,

29、1psprng,12,tran,30000000,1psprng,2,tran,30000000,1local11,1,30,20csys,11,psprng,14,tran,30000000,1psprng,15,tran,30000000,1psprng,16,tran,30000000,1psprng,17,tran,30000000,1psprng,18,tran,30000000,1psprng,19,tran,30000000,1psprng,20,tran,30000000,1psprng,21,tran,30000000,1psprng,22,tran,30000000,1ps

30、prng,23,tran,30000000,1psprng,24,tran,30000000,1psprng,25,tran,30000000,1psprng,26,tran,30000000,1psprng,27,tran,30000000,1psprng,28,tran,30000000,1psprng,29,tran,30000000,1psprng,30,tran,30000000,1psprng,31,tran,30000000,1psprng,32,tran,30000000,1psprng,33,tran,30000000,1psprng,34,tran,30000000,1ps

31、prng,35,tran,30000000,1psprng,36,tran,30000000,1psprng,37,tran,30000000,1psprng,38,tran,30000000,1psprng,39,tran,30000000,1psprng,40,tran,30000000,1psprng,41,tran,30000000,1psprng,42,tran,30000000,1psprng,43,tran,30000000,1psprng,44,tran,30000000,1psprng,45,tran,30000000,1psprng,46,tran,30000000,1ps

32、prng,47,tran,30000000,1psprng,48,tran,30000000,1psprng,49,tran,30000000,1psprng,50,tran,30000000,1psprng,51,tran,30000000,1psprng,13,tran,30000000,1psprng,53,tran,30000000,1psprng,54,tran,30000000,1psprng,55,tran,30000000,1psprng,56,tran,30000000,1psprng,57,tran,30000000,1psprng,58,tran,30000000,1ps

33、prng,59,tran,30000000,1psprng,60,tran,30000000,1psprng,61,tran,30000000,1psprng,62,tran,30000000,1psprng,63,tran,30000000,1psprng,64,tran,30000000,1psprng,65,tran,30000000,1psprng,66,tran,30000000,1psprng,67,tran,30000000,1psprng,68,tran,30000000,1psprng,69,tran,30000000,1psprng,70,tran,30000000,1ps

34、prng,71,tran,30000000,1psprng,72,tran,30000000,1psprng,73,tran,30000000,1psprng,74,tran,30000000,1psprng,75,tran,30000000,1psprng,76,tran,30000000,1psprng,77,tran,30000000,1psprng,78,tran,30000000,1psprng,79,tran,30000000,1psprng,80,tran,30000000,1psprng,81,tran,30000000,1psprng,82,tran,30000000,1ps

35、prng,83,tran,30000000,1psprng,84,tran,30000000,1psprng,85,tran,30000000,1psprng,86,tran,30000000,1psprng,87,tran,30000000,1psprng,88,tran,30000000,1psprng,89,tran,30000000,1psprng,90,tran,30000000,1local13,1,27.62,20csys,13,psprng,52,tran,30000000,1psprng,92,tran,30000000,1psprng,93,tran,30000000,1p

36、sprng,94,tran,30000000,1psprng,95,tran,30000000,1psprng,96,tran,30000000,1psprng,97,tran,30000000,1psprng,98,tran,30000000,1psprng,99,tran,30000000,1psprng,100,tran,30000000,1psprng,101,tran,30000000,1psprng,91,tran,30000000,1將命令流粘貼到“ANSYS Input”，輸出如圖3.53所示的彈簧模型。圖3.53 彈簧模型15、模型施加約束：由于設(shè)置的隧道平面結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)中默認(rèn)

37、是一個(gè)三維圖形，但實(shí)際上我們首先要認(rèn)為它是2D的，也就是要將所有的Z方向固定住，然后還要考慮彈簧是不能變形的，將所有的彈簧X,Y,Z方向全部固定住，最后考慮節(jié)點(diǎn)的變形，節(jié)點(diǎn)1和節(jié)點(diǎn)91不能有X,Y方向上的形變。點(diǎn) “Main Menu”，然后點(diǎn) “Solution”，再點(diǎn) “Define Loads”，緊接著點(diǎn)“Apply”，之后點(diǎn)“Structural”，執(zhí)行 “Displacement”，最后打開(kāi) “on Nodes”，彈出在節(jié)點(diǎn)上施加位移約束對(duì)話框，如圖3.54所示。圖3.54 約束條件的對(duì)話框然后點(diǎn)對(duì)話框中的“OK”，彈出二級(jí)對(duì)話框“Apply U，ROT on Nodes”，如圖3.

38、55所示。圖3.55 位移約束對(duì)話框在第二行“Lab2 DOFS to be constrained”的后面選取UX和UY（這兩個(gè)都要選），之后在“Apply as”的之后的的選擇菜單中選“constant value”，在“Displacement value”后面輸“0”值，其余不進(jìn)行改動(dòng)，最后點(diǎn)施加位移約束二級(jí)對(duì)話框中的“OK”完成對(duì)彈簧節(jié)點(diǎn)位移的約束。同理1號(hào)和91號(hào)節(jié)點(diǎn)也同樣這樣設(shè)置。那么隧道邊界最終的位移約束的設(shè)置如圖3.56所示。圖3.56 施加位移約束效果圖至此為止，隧道的建模工作已經(jīng)全部完成，那么接下來(lái)是隧道所受荷載的設(shè)置和計(jì)算輸出。隧道荷載設(shè)置及求解1、施加重力：點(diǎn)主菜單欄

39、里的“Solution”，然后點(diǎn) “Define Loads”，再點(diǎn)“Apply”，之后點(diǎn) “Structural”，繼續(xù)點(diǎn) “Inertia”，接著點(diǎn) “Gravity”，最后點(diǎn)“Global”，準(zhǔn)確無(wú)誤執(zhí)行到這一步后會(huì)彈出“Apply（Gravitational）Acceleration”，施加重力對(duì)話框，那么只需在施加重力對(duì)話框中的“Global Cartesian Y-comp”后面輸入重力值“9.8”，最后點(diǎn)“OK”，完成重力的施加。這之中的步驟如圖3.57所示。圖3.57 重力荷載的設(shè)置2、施加圍巖壓力：先點(diǎn) “Main Menu”，然后點(diǎn) “Solution”，之后點(diǎn) “Defi

40、ne Loads”，接著點(diǎn) “Apply”，點(diǎn)擊“Structural”，接下來(lái)點(diǎn) “Force/Moment”，緊接著點(diǎn) “on Nodes”，在彈出的對(duì)話框中，選擇隧道所有100個(gè)節(jié)點(diǎn)，彈出一個(gè)名為“Apply F/M on Nodes”的對(duì)話框，施加外力對(duì)話框。在對(duì)話框中的“Lab Direction of force/mom”后面的菜單中選“FY”，在第三行“Force/Moment”欄中輸圍巖垂直均布力“-7335.14”（在3.1節(jié)已經(jīng)計(jì)算完成）。這個(gè)過(guò)程如圖3.58所示，最后垂直壓力的設(shè)置效果圖如圖3.59所示。圖3.58 垂直均布荷載的設(shè)置圖3.59 垂直均布荷載的布置效果圖設(shè)

41、置水平荷載與設(shè)置垂直均布荷載一樣，在“Direction of force/mom”后面的菜單中選取“FX”，接著在對(duì)話框中的“Force/Moment”欄中輸入圍巖水平均布力“1276.91”（左邊50個(gè)節(jié)點(diǎn)）和“-1276.91”（右邊50個(gè)節(jié)點(diǎn)）注意方向不同。檢查確認(rèn)無(wú)誤后需要點(diǎn)對(duì)話框中的“OK”按鈕，如圖3.60所示。最終受力情況效果如圖3.61所示。圖3.60 水平均布荷載的設(shè)置圖3.61 施加垂直和水平均布荷載后的圖3、對(duì)模型受力進(jìn)行求解運(yùn)算：點(diǎn)主菜單“Main Menu”，再點(diǎn)“Solution”，然后點(diǎn)“Solve”，接著點(diǎn) “Current LS”，彈出一個(gè)選項(xiàng)信息和一個(gè)當(dāng)前

42、求解荷載對(duì)話框，如圖3.62和圖3.63所示。圖3.62 STATUS command 記事本圖3.63 Solve Current Load Step 求解荷載檢查無(wú)誤后，點(diǎn)圖3.63中對(duì)話框中的“OK”按鈕，開(kāi)始求解，出現(xiàn)一個(gè)叫“Solution is done”的欄，如圖3.64所示。圖3.64 解出這也就意味著至此靜力模型的就求解結(jié)束。4、查看變形圖：點(diǎn)主菜單 “Main Menu”，然后點(diǎn) “General Postproc”，再點(diǎn) “Plot Results”，之后點(diǎn) “Deformed shape”，彈出叫 “Plot Deformed Shape”的對(duì)話框，如圖3.65所示。圖

43、3.65 隧道結(jié)構(gòu)變形對(duì)話框我們需要選中對(duì)話框的“Def + undeformed”，并點(diǎn)對(duì)話框中“OK”，系統(tǒng)自動(dòng)顯示變形圖，如圖3.66所示。圖3.66 初始的變形圖5、查看隧道模型中受到拉應(yīng)力的彈簧：點(diǎn)主菜單欄“Main Menu”，之后點(diǎn) “General Postproc”，接著點(diǎn) “Element Table”，執(zhí)行 “Define Table”命令框，會(huì)彈出如圖3.67所示的“Element Table Data”。 圖3.67 Element Table Data元素表數(shù)據(jù)接下來(lái)我們需要點(diǎn)對(duì)話框中的“Add”的按鈕會(huì)彈出二級(jí)對(duì)話框，在這個(gè)二級(jí)對(duì)話框中的“Lab”欄里輸入列表名“

44、AXIAL”（軸力）,下面對(duì)話框選“By sequence num”，在右下側(cè)輸“SMISC，1”，如圖3.68所示。圖3.68 軸力的布置設(shè)置我們接下來(lái)需要點(diǎn)剛才的二級(jí)對(duì)話框中的“OK”，返回一級(jí)對(duì)話框再點(diǎn)一級(jí)對(duì)話框中“Close”。點(diǎn)主菜單欄里的“Main Menu”，然后點(diǎn)“General Postproc”，然后點(diǎn)“Element Table”的選項(xiàng)，最后點(diǎn)“List Elem Table”選項(xiàng)，在彈出的一級(jí)對(duì)話框里選“AXIAL”，如圖3.69所示。圖3.69 二級(jí)選項(xiàng)框 選擇AXIAL選擇完畢后，我們需要點(diǎn)查看受拉彈簧一級(jí)對(duì)話框里的“OK”，彈出如圖3.70，各單元軸力的對(duì)話框。這

45、個(gè)對(duì)話框不需要我們?nèi)ゲ僮?，只需要我們認(rèn)真地去看，看這里有沒(méi)有正值，如果出現(xiàn)了正的數(shù)，就說(shuō)明在這種情況下是有彈簧受拉的，我們就需要調(diào)整隧道上的彈簧數(shù)量，以達(dá)到隧道中不出現(xiàn)受拉彈簧出現(xiàn)的要求。圖3.70PRETAB ,command PRETAB命令6、依次刪除隧道頂部的彈簧單元，直至沒(méi)有受拉彈簧：根據(jù)要求，需要點(diǎn)主菜單欄 “Main Menu”，然后點(diǎn)“Preprocessor”按鍵，之后點(diǎn) “Modeling”，接著點(diǎn)“Delete”，點(diǎn)擊“Elements”，會(huì)彈出一個(gè)名字叫做“Delete Elements”的對(duì)話框，選中要?jiǎng)h除的彈簧單元，點(diǎn)對(duì)話框中的“OK”，可刪除該彈簧。這個(gè)對(duì)話框如圖

46、3.71所示。圖3.71 刪除元素對(duì)話框按照順序從頂點(diǎn)的152號(hào)開(kāi)始去除1根，然后就按照按照第4步中的詳細(xì)步驟進(jìn)行求解，按照第5步查找有無(wú)受拉彈簧，發(fā)現(xiàn)還有受拉彈簧，那么再次去除152號(hào)旁邊的151號(hào)和153號(hào)彈簧（必須對(duì)稱去除），然后再次按照第4步中的步驟進(jìn)行求解，按照第5步查找有無(wú)受拉彈簧，發(fā)現(xiàn)還有受拉彈簧，那么再次去除151號(hào)和152號(hào)彈簧旁邊的150號(hào)和154號(hào)彈簧。依次類推，步驟雖然繁瑣但是簡(jiǎn)單易行，在此不再贅述。根據(jù)試算，最終需要去除頂部的35根彈簧后，隧道將沒(méi)有受拉彈簧，他們的編號(hào)為135-169號(hào)彈簧（為對(duì)稱分布）。最終隧道彈簧去除結(jié)果如圖3.72所示。圖3.72 去除全部受拉

47、彈簧后的效果圖7、繪制隧道襯砌支護(hù)線結(jié)構(gòu)變形圖上一步去除了35個(gè)彈簧后，再次按照第4步進(jìn)行求解，之后按順序用鼠標(biāo)執(zhí)行主頁(yè)菜單欄里的“Main Menu”，接著再執(zhí)行打開(kāi)的子菜單欄里的“General Postproc”，接下來(lái)執(zhí)行打開(kāi)的子菜單欄里的“Plot Results”，下一步執(zhí)行打開(kāi)的子菜單欄里的“Deformed shape”，準(zhǔn)確無(wú)誤執(zhí)行到這一步后會(huì)彈出一個(gè)名字叫做“Plot Deformed Shape”的繪制支護(hù)線變形圖的對(duì)話框，選中對(duì)話框中的“Def + undeformed”，點(diǎn)“OK”，得到隧道變形圖。如圖3.73所示。圖3.73 去除受拉彈簧后的隧道變形圖靜力結(jié)構(gòu)結(jié)果分

48、析1、將各個(gè)節(jié)點(diǎn)的彎矩、剪力的軸力列表：得到了正確的變形圖，就可以繼續(xù)得到隧道的彎矩、剪力的軸力情況，以此來(lái)作為我們?cè)O(shè)計(jì)的依據(jù)。按照順序用鼠標(biāo)執(zhí)行主菜單欄里的“Main Menu”然后再次執(zhí)行打開(kāi)的子菜單欄里的“General Postproc”，然后接著執(zhí)行打開(kāi)的子菜單欄里的“Element Table”，接下來(lái)我們?cè)趫?zhí)行打開(kāi)的子菜單欄里的“Define Table”，如果準(zhǔn)確無(wú)誤執(zhí)行到這一步后會(huì)彈出一個(gè)名字叫做“Element Table Data”的對(duì)話框，也就是彎矩、剪力、軸力制表一級(jí)對(duì)話框，如圖3.74所示。圖3.74 彎矩、剪力、軸力制表一級(jí)對(duì)話框點(diǎn)對(duì)話框中的“Add”，彈出名叫“

49、Define Additional Element Table Items”的對(duì)話框，稱為彎矩、剪力、軸力制表二級(jí)對(duì)話框，如圖3.75所示。圖3.75 制表二級(jí)對(duì)話框在如圖3.75的彎矩、剪力、軸力制表二級(jí)框中，第三行的“Lab User labelfor item”后面欄中輸“IM”，然后在“Item,comp Results data item”后面右邊菜單中選“By sequence num”，在右欄輸入“6”，接下來(lái)點(diǎn)二級(jí)對(duì)話框中的“Apply”；接著在彎矩、剪力、軸力制表二級(jí)對(duì)話框中“User label for item”后面的欄中輸“JM”，在“Item comp Results

50、 data item”后面的菜單中選 “By sequence num”，在右欄輸入“12”，最后點(diǎn)“Apply”；用同樣方法依次輸入“IS，2”，“JS，8”，“IA，1”，“JA，7”。這是因?yàn)锳NSYS自身的命令流設(shè)置的原因，只有輸入正確的編號(hào)，才能輸出正確的數(shù)據(jù)，所以一定要做好檢查工作，命令流設(shè)置如圖3.76所示。圖3.76 輸出的編號(hào)數(shù)據(jù)定義完成后的單元數(shù)據(jù)對(duì)話框，如圖3.77所示。圖3.77 單元數(shù)據(jù)表對(duì)話框至此，靜力分析的輸出準(zhǔn)備結(jié)束，下面將進(jìn)入最后的結(jié)果展示和配筋分析。2、畫(huà)隧道襯砌支護(hù)線在靜力作用下的彎矩圖：按照順序用鼠標(biāo)執(zhí)行主菜單欄里的“Main Menu”，然后需要執(zhí)行打

51、開(kāi)的子菜單欄里的“General Postproc”，然后再執(zhí)行打開(kāi)的子菜單欄里的“Plot Results”，接下來(lái)是執(zhí)行打開(kāi)的子菜單欄里的“contour Plot”，接下來(lái)是執(zhí)行打開(kāi)的子菜單欄里的“Line Element Results”，如果以上操作準(zhǔn)確無(wú)誤執(zhí)行到這一步后會(huì)彈出名叫“Plot Line-Element Results”對(duì)話框，如圖3.78所示。圖3.78 結(jié)構(gòu)彎矩圖對(duì)話框需要在結(jié)構(gòu)彎矩圖對(duì)話框中的“Element table item at node I”的欄后面菜單選取“IM”，接下來(lái)在結(jié)構(gòu)彎矩圖對(duì)話框中的“Element table item at node J”

52、欄后面菜單選“JM”，接下來(lái)在結(jié)構(gòu)彎矩圖對(duì)話框中的“Optional scale factor”后面欄中輸入“-1”，然后在結(jié)構(gòu)彎矩圖對(duì)話框中的“Items to be plotted on”欄后選中“Deformed shape”，最后點(diǎn)擊對(duì)話框中的“OK”，得到隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的彎矩圖，如圖3.79所示。圖3.79 靜力情況下的彎矩圖3、畫(huà)隧道襯砌支護(hù)線在靜力作用下的結(jié)構(gòu)剪力圖：同理，與上一步一樣調(diào)出同樣的窗口，需要在結(jié)構(gòu)剪力圖對(duì)話框中的“Element table item at node I”的欄后面菜單選“IS”，接下來(lái)在結(jié)構(gòu)剪力圖對(duì)話框中的“Element table item a

53、t node J”欄后面菜單選“JS”，接下來(lái)是在結(jié)構(gòu)剪力圖對(duì)話框中的“Optional scale factor”后面欄中輸入“-1”，然后是在結(jié)構(gòu)剪力圖對(duì)話框中的“Items to be plotted on”欄后面選“Deformed shape”，最后點(diǎn)擊對(duì)話框中的“OK”，得到隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的剪力圖，如圖3.80所示。 圖3.80 靜力情況下的剪力圖4、畫(huà)隧道襯砌支護(hù)線在靜力作用下的結(jié)構(gòu)軸力圖：同理，與上一步一樣調(diào)出同樣的窗口，需要在結(jié)構(gòu)軸力圖對(duì)話框中的“Element table item at node I”的欄后面菜單選“IA”，接下來(lái)在結(jié)構(gòu)軸力圖對(duì)話框中的“Element

54、table item at node J”欄后面菜單選“JA”，接下來(lái)是在結(jié)構(gòu)軸力圖對(duì)話框中的“Optional scale factor”后面欄中輸入“-1”，然后是在結(jié)構(gòu)軸力圖對(duì)話框中的“Items to be plotted on”欄后面選中“Deformed shape”，最后點(diǎn)擊對(duì)話框中的“OK”，得到隧道襯砌支護(hù)結(jié)構(gòu)的軸力圖，如圖3.81所示。 圖3.81靜力情況下的軸力圖5、列表顯示各節(jié)點(diǎn)的位移：按照一定的順序用鼠標(biāo)執(zhí)行主頁(yè)菜單欄里的“Main Menu”，然后在執(zhí)行打開(kāi)的子菜單欄里的“General Postproc”，然后執(zhí)行打開(kāi)的子菜單欄里的“List Results”，其

55、接下來(lái)執(zhí)行打開(kāi)的子菜單欄里的“Nodal Solution”，準(zhǔn)確無(wú)誤執(zhí)行到這一步后會(huì)彈出一個(gè)名字叫做“List Nodal Solution”，的對(duì)話框顯示各節(jié)點(diǎn)位移對(duì)話框，如圖3.82所示。圖3.82 位移對(duì)話框選中“Nodal Solution”及“DOF SOLUTION”，再選“Displacement Vector Sum”，之后點(diǎn)“OK”，彈出節(jié)點(diǎn)位移數(shù)據(jù)的文件。將位移文件（記事本文件）轉(zhuǎn)移到EXCEL上就可以將數(shù)據(jù)排列好，并且將它們輸出出來(lái)，成表。如表3.5所示。表3.5 節(jié)點(diǎn)位移1：節(jié)點(diǎn)號(hào)；2：X方向位移；3：Y方向位移；4：Z方向位移；5：轉(zhuǎn)角位移NODEUXUYUZUSU

56、M100002-3.70E-04-3.28E-0404.94E-043-8.90E-05-5.03E-0501.02E-044-1.66E-04-9.43E-0501.91E-045-2.23E-04-1.31E-0402.59E-046-2.63E-04-1.62E-0403.09E-047-2.87E-04-1.89E-0403.44E-048-3.02E-04-2.14E-0403.70E-049-3.12E-04-2.37E-0403.92E-0410-3.22E-04-2.60E-0404.14E-0411-3.34E-04-2.83E-0404.38E-0412-3.50E-04-

57、3.06E-0404.65E-04135.04E-14-2.89E-0302.89E-0314-3.89E-04-3.49E-0405.23E-0415-4.06E-04-3.69E-0405.49E-0416-4.20E-04-3.88E-0405.72E-0417-4.30E-04-4.07E-0405.92E-0418-4.37E-04-4.26E-0406.10E-0419-4.44E-04-4.44E-0406.28E-0420-4.51E-04-4.62E-0406.45E-0421-4.59E-04-4.78E-0406.63E-0422-4.69E-04-4.94E-0406.

58、81E-0423-4.81E-04-5.07E-0406.99E-0424-4.96E-04-5.19E-0407.18E-0425-5.13E-04-5.29E-0407.37E-0426-5.34E-04-5.37E-0407.57E-0427-5.57E-04-5.41E-0407.76E-0428-5.82E-04-5.43E-0407.96E-0429-6.09E-04-5.42E-0408.15E-0430-6.36E-04-5.40E-0408.34E-0431-6.60E-04-5.38E-0408.52E-0432-6.79E-04-5.40E-0408.68E-0433-6

59、.89E-04-5.49E-0408.81E-0434-6.87E-04-5.72E-0408.94E-0435-6.70E-04-6.12E-0409.08E-0436-6.36E-04-6.77E-0409.29E-0437-5.87E-04-7.66E-0409.66E-0438-5.26E-04-8.82E-0401.03E-0339-4.55E-04-1.02E-0301.12E-0340-3.80E-04-1.19E-0301.24E-0341-3.03E-04-1.37E-0301.40E-0342-2.30E-04-1.56E-0301.57E-0343-1.63E-04-1.

60、76E-0301.76E-0344-1.04E-04-1.95E-0301.96E-0345-5.66E-05-2.15E-0302.15E-0346-2.03E-05-2.33E-0302.33E-03474.48E-06-2.49E-0302.49E-03481.84E-05-2.63E-0302.63E-03492.28E-05-2.74E-0302.74E-03501.97E-05-2.82E-0302.82E-03511.12E-05-2.87E-0302.87E-03523.70E-04-3.28E-0404.94E-0453-1.12E-05-2.87E-0302.87E-035